JP4515373B2

JP4515373B2 - 二次電池

Info

Publication number: JP4515373B2
Application number: JP2005315253A
Authority: JP
Inventors: ▲ヒェ▼▲ウォン▼ 尹; 相垠全; 載▲キュン▼ 金; 錫潤劉
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2004-10-28
Filing date: 2005-10-28
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2025-10-28
Also published as: JP2006128132A; US20060093910A1; CN1776952A; CN100423349C; KR100612364B1; KR20060037594A; US7273679B2

Description

本発明は二次電池に関し、より詳しくは電極群の無地部構造を改善して集電効率を増大な二次電池に関するものである。

二次電池はその用途や電池容量を勘案すれば、一個または数個の電池セルをパック形態に包装して使用する低容量二次電池（以下、‘小型電池’）と、電池セルを数十個集めて使用する電池パック単位のモータ駆動用大容量二次電池（以下、‘大型電池’）に区分することができる。

このうち、小型電池は主に携帯電話、ノートブックコンピュータ及びカムコーダのような小型電子装置の電源として使用され、大型電池はハイブリッド電気自動車のようにモータ駆動用電源として使用される。

小型電池が一つのセルとして構成される時には主に円筒形や角形の外形を有して形成されるが、帯状の正極と負極との間に絶縁体であるセパレータを介在しこれを渦流状に巻いて電極群を形成し、これをケース内部に挿入して電池を構成する。

前記正極と負極にはリード端子、つまり、電池の作用時に正極と負極で発生した電流を集電するための役割として導電性タブが各々取り付けられ、この導電性タブは前記正極と負極に溶接などで付着されて、各々正極と負極で発生した電流を正極端子と負極端子へ誘導する。

このように構成された小型電池の構造をそのまま大型電池に適用する場合、容量や出力の面で大型電池の動作特性を満足させることができないために容量や出力を増加させるためのマルチタブ構造が提案された。

このマルチタブ構造は複数のタブを電極群の正極と負極に連結し、これを正極用タブと負極用タブに集め、正極端子と負極端子に接続させた構造である。

さらに、大型電池において電極群から電流を集電する他の形態として、前記タブ構造の代わりとなる集電板構造がある。

この集電板構造は板状の集電板を電極群の正極及び負極に接続させて電極群から電流を正極端子と負極端子に誘導する構造であって、これはリードエレメントである集電板と電極群の正極及び負極との接触面積を前記タブ構造よりも増大させて接触抵抗を減らすことができる長所がある。

したがって、二次電池モジュールを構成してモータ駆動用として使用される二次電池では主にこの集電板による集電方式を利用している。

一方、前記モータ駆動用二次電池が角形で構成される場合には円筒形で構成される場合とは異なって、ケースに設置されるキャッププレート上に正極用端子と負極用端子を備える。この電極端子はケースに収納される電極群の正極と負極に各々電気的に接続されこの正極と負極で発生する電流を集電する。

この時、前記電極端子と電極群の電気的な接続構造は角形電池の集電効率に直接的な影響を与えるので、これらの接続状態は良好であるように行われなければならない。
しかし、一般には前記電極端子と前記電極群を電気的に連結するのに使用されるリードエレメント（lead element）が電極群の接続部位に密着される時、前記接続部位の間に所定の隙間をおきながら前記接続部位に接するが、これからは良好な接続状態を期待することが難しい。

このような現象は前記リードエレメントが密着される電極群の正極及び負極の各無地部形状に起因している。

そこで、本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、電極端子と電極群の電極を接続させるリードエレメントを良好な状態に電極群の電極に接続させる二次電池を提供することにある。

本発明の実施例による二次電池は、正極、負極及びセパレータを含む電極群と、前記電極群が収納されるケースと、正極用端子及び負極用端子が設置されながら前記ケースに装着されるキャップ組立体とを含み、前記正極及び前記負極は各々活物質のない部位である無地部を有し、前記正極用端子と前記負極用端子は前記正極の無地部及び前記負極の無地部に電気的に接続され、前記電極群の幅をW_１、前記正極の無地部及び前記負極無地部の幅をW_２とする時、W_１がW_２より広く形成される。

前記正極無地部と前記負極無地部は各々少なくとも一つ以上の切断部を有して形成することができる。

前記正極無地部と前記負極無地部は各々六面体形状に形成することができる。

前記正極無地部と前記負極無地部は各々一枚で平坦な正極集電体と負極集電体を重ねて形成することができる。

前記正極用端子と前記負極用端子は各々リードエレメントを通じて前記正極無地部と前記負極無地部に電気的に接続できる。

前記キャップ組立体は前記正極用端子と前記負極用端子が挿入される締結孔が形成され、前記ケースの開口部をカバーしながらこのケースに結合されるキャッププレートを含んでなる。

また、本発明の他の実施例による二次電池は、正極、負極及びセパレータを含む電極群と、前記電極群が収納されるケースと、正極用端子及び負極用端子が設置されながら前記ケースに装着されるキャップ組立体とを含み、前記正極及び前記負極は各々活物質のない部位である無地部を有し、前記正極用端子と前記負極用端子は前記正極の無地部及び前記負極の無地部に電気的に接続され、前記電極群の厚さをD_１、前記正極の無地部及び前記負極無地部の厚さをD_２とする時、D_１がD_２より広く形成される。

前記正極用端子と前記負極用端子はリードエレメントを通じて前記正極無地部と前記負極無地部に電気的に接続され、前記切断部は前記リードエレメントが前記正極無地部と前記負極無地部に接触される接触部位に形成されることができる。

本発明によれば、電極端子を電極群に電気的に接続させるリードエレメントによる接触抵抗を最少に減らすことによって集電効率を増大させ、その結果、二次電池のエネルギー密度を高めて二次電池の動作特性を改善する効果がある。

以下、添付した図面を参照して本発明の好ましい実施例について当業者が容易に実施できるように詳細に説明する。しかし、本発明は多様で相異なる形態に実現することができ、ここで説明する実施例に限られるわけではない。

図１は本発明の第１実施例によって角形で構成された二次電池の一部を切開してその内部を示した部分切開斜視図である。これを参照して本実施例による二次電池を説明する。
本発明の第１実施例において、二次電池は長さ方向（図面のX方向）に長く形成された角形の形状を有し、一部が開放されたケース１１に絶縁物質であるセパレータを間に置いて配置された正極及び負極を巻き取って形成した電極群１３を挿入し、ケース１１の開放された部分、つまり、開口部１１aをキャップ組立体３０で密封した形態で構成される。

ケース１１はアルミニウムやアルミニウム合金またはニッケルがメッキされたスチールなどのような導電性金属材からなるが、角形の電極群１３が挿入されて安着できるようにその一側に開口部１１aが形成されながら、内部空間を有する六面体形状の構造物からなる。

キャップ組立体３０は前記ケース１１の開口部１１aに形合する形状に作られたキャッププレート３２を含む。このキャッププレート３２には正極用端子６１と負極用端子６１’が設置される。

本実施例で正極用端子６１と負極用端子６１’はその外周面にネジ山（thread）６４、６４’を備えており、後述する電極群の正極及び負極の各無地部に電気的に連結されるリードエレメント６５、６５’と一体に形成される。

図示したように、正極用端子６１と負極用端子６１’は二次電池の外側に突き出されるようにキャッププレート３２上に結合される。この両端子６１、６１’の長さはこの二次電池が複数で備えられて二次電池モジュールを構成する時、隣接する二次電池と電気的に連結させる連結具（図示せず）が締結できるように十分に長いものである。

本実施例で前記正、負極用端子６１、６１’とリードエレメントら６５、６５’は一体に形成される。この時、このリードエレメントら６５、６５’は一字型からなる単一体の導電体で構成される。

しかし、これは本発明が適用される二次電池で例示される一つの場合に過ぎず、この正、負極用端子６１、６１’とリードエレメント６５、６５’の結合関係やその具体的な構造が必ずこれに限られるわけではない。

さらに、キャップ組立体３０は設定された圧力で電池の破損が防止できるようにケース１１内部で発生したガスを放出するベント部４０をさらに含んでも良い。このベント部４０はキャッププレート３２上の適正の位置に形成される。

次に、図２A乃至図２Cを参照して本発明の一実施例による電極群２５を具体的に説明する。

図面に示したように、電極群２５は正極２２と負極２３との間にセパレータ２１を介在し、これらを捲線軸（O）を中心に巻き取ってジェリーロール形態に形成した後、プレスのような加圧手段によってプレシングされて最終的に角形に形成される。

前記で正極２２、負極２３及びセパレータ２１が任意の長さを有する帯状に形成されて巻き取られる時、正極２２及び負極２３の各無地部２２b、２３bは、電極群２５の両端に突き出されて互いに対向配置される。

ここで、正極無地部２２bと負極無地部２３bは正極２２と負極２３を実質的に構成する各集電体上に各々の活物質が塗布されない部位を指す。

このような正極無地部２２bと負極無地部２３bは、ジェリーロール形態の電極群２５の構造によって複数層で重なった状態になるが、これらは電極群２５に発生する電流の集電向上のために互いに密着されることが好ましい。

その結果、各正極無地部２２bと負極無地部２３bにおいて、ほぼ両端部位を除いた残り部位は別途に加圧されて密着しながら平坦な状態になる。以下ではこの部位を平坦部２２bb、２３bbと言う。

この平坦部２２bb、２３bbの形成によって正極無地部２２bと負極無地部２３bの各両端部２２ba、２３baは屈曲された形態を取りながら、相対的に平坦部２２bb、２３bbに比べて厚い厚さを有する（図２A参照）。

しかし、このように正極無地部２２bと負極無地部２３bがその厚さを部位別に異ならせれば、これに接触して固定されるリードエレメント６５、６５’が正極無地部２２bと負極無地部２３bに完全に密着されず、両端部２２ba、２３baと平坦部２２bb、２３bbのほぼ境界部位で浮き立つようにして間隙を形成する。

この場合には正極無地部２２b及び負極無地部２３bに対するリードエレメント６５、６５’の接触抵抗が増大し、そのためにリードエレメント６５、６５’を通じて集電効率（the current collecting efficiency）が低下する。

このような問題を防止するために本実施例では電極群２５において、屈曲した両端部２２ba、２３baを正極無地部２２bと負極無地部２３bから切断させ、この正極無地部２２bと負極無地部２３bに切断部２２c、２３cを形成させる（図２B参照）。
その結果、実施例の正極無地部２２bと負極無地部２３bには各々２つの切断部２２c、２３cが形成されるが、本発明における正極無地部２２bと負極無地部２３bに形成される切断部２２c、２３cが必ずこのように形成される必要はない。

たとえば、前記正極無地部２２bと負極無地部２３bの構造において、正極無地部２２bと負極無地部２３b各々には両端部２２ba、２３baのうちのリードエレメント６５、６５’が位置する側の端部のみが切断されながら切断部を形成しても良い。

つまり、本発明では正極無地部２２bと負極無地部２３b上に少なくとも一つの切断部を形成することができる。

前記切断部２２c、２３cによって正極無地部２２bと負極無地部２３は電極群２５の幅W_１より狭い幅W_２を有して形成される（図２C参照）。

この状態の正極無地部２２bと負極無地部２３bは各々一枚の正極集電体と負極集電体が平坦な状態に複数層重なって構成された模様を有する。

以下ではこのように形成された電極群２５と正極用端子６１と負極用端子６１’の結合関係について説明する。

図３に示したように、本実施例におけるリードエレメント６５、６５’は正極無地部２２bと負極無地２３b部の一側端部に密着されて溶接などによって固定され電気的に接続される。

この時、正極無地部２２bと負極無地部２３bにはいずれの部位にも屈曲した部位がなく平坦な状態を維持しているために、リードエレメント６５、６５’はこの正極無地部２２bと負極無地部２３bに間隙を置かずに良好な状態に接触して固定できる。

したがって、正極無地部２２bと負極無地部２３bに対するリードエレメント６５、６５’の接触面積は拡大でき、その結果接触抵抗は減少する。

図４及び図５は本発明の第２実施例を説明するために示した斜視図と断面図である。
図面に示したように、この第２実施例による電極群７１とキャップアセンブリー７３もまた前述した実施例と同様な形式で形成されるが、その具体的な説明は便宜上省略する。

この第２実施例ではキャップアセンブリー７３のキャッププレート７３a上に設置された正極用端子７５と電極群７１の正極無地部７１aを電気的に連結するためのリードエレメント７７を正極無地部７１aに間隙なく密着させるために、正極無地部７１aで屈曲した形態を持つ端部７１０aを、前述した実施例のように正極無地部７１aで完全に切断せず、その一部のみを切断している。

この時、この端部７１０aの切断程度は正極無地部７１aが有する平坦部７１２aとその表面が実質的に平坦になる程度である。

図４及び図５では便宜上、電極群７１の正極無地部７１aと正極用端子７５及び正極用リードエレメント７７のみを図示したが、前記正極無地部とこれに結合されるリードエレメントの構造は電極群７１が有する負極無地部とこの負極無地部に結合される負極用リードエレメントに同じ方式に適用することができる。

それだけでなく、この第２実施例で端部７１０aの部分的な切断は正極無地部７１aに少なくとも一つ以上（負極無地部も同様に）形成することができる。

このような構造によってこの第２実施例による電極群７１はその全厚さD_１を正極無地部７１aまたは負極無地部の厚さD_２より厚く形成する。

図６は本発明の変形例を示した図面であって、この変形例では前述した第１、２実施例で例示したリードエレメントと異なる構造を有するリードエレメント８０を本発明による電極群に適用して二次電池を形成することを例示している。

この変形例で例示されているリードエレメント８０は図面から分かるように、外部端子と連結されながら二つの分岐に分かれて電極群の無地部に挿入されてこれと接触できる構造になっている。

このように構成される本発明の実施例による二次電池は複数で備えられ、直列（または並列）に連結されて二次電池モジュールを構成し、ハイブリッド電気自動車（HEV）、電池自動車（EV）、無線掃除機、電動自転車、電動スクーターなどのようなモータ駆動用電源として使用することができる。

図７は本発明の実施例による二次電池で構成された二次電池モジュール９０がモータ９２を駆動することを概略的に示したブロックダイアグラムである。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれに限定されず、特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することができ、これもまた本発明の範囲に属することは当然である。

本発明の第１実施例による二次電池の部分切開斜視図である。本発明の第１実施例による電極群を形成する過程を示した斜視図である。本発明の第１実施例による電極群を形成する過程を示した斜視図である。本発明の第１実施例による電極群を形成する過程を示した斜視図である。本発明の第１実施例による電極群とリードエレメントとの結合関係を示す断面図である。本発明の第２実施例による二次電池を示した部分斜視図である。本発明の第２実施例による電極群とリードエレメントとの結合関係を示す断面図である。本発明の変形例によるリードエレメントを説明するために示した部分斜視図である。本発明の実施例による二次電池で構成された二次電池モジュールがモータを駆動することを概略的に示したブロックダイアグラムである。

符号の説明

１１ケース
１１a 開口部
１３、２５、７１電極群
２１セパレータ
２２正極
２２b、２３b 無地部
２２ba、２３ba 両端部
２２bb、２３bb 平坦部
２２c、２３c 切断部
２３負極
３０キャップ組立体
３２、７３a キャッププレート
４０ベント部
６１、７５正極用端子
６１’ 負極用端子
６４、６４’ ネジ山
６５、６５’、７７、８０リードエレメント
７１a 正極無地部
７３キャップアセンブリー
９０二次電池モジュール
９２モータ
７１０a 端部

Claims

正極、負極及びセパレータを含む電極群と；
前記電極群が収納されるケースと；
正極用端子及び負極用端子が設置されて前記ケースに装着されるキャップ組立体とを含み、
前記正極及び負極は各々活物質のない部位である無地部を有し、
前記正極の無地部及び前記負極の無地部は、幅方向における両端に切断部を有し、
前記正極用端子と負極用端子は前記正極の無地部及び前記負極の無地部に電気的に接続され、前記電極群の幅をＷ_１、前記正極の無地部及び前記負極無地部の幅をＷ_２とすると、Ｗ_１がＷ_２より広い二次電池。
前記正極無地部と前記負極無地部は各々六面体形状に形成される、請求項１に記載の二次電池。
前記正極無地部と前記負極無地部は各々一枚で平坦な正極集電体と負極集電体が重なって形成される、請求項２に記載の二次電池。
前記正極用端子と前記負極用端子は各々リードエレメントを通じて前記正極無地部と前記負極無地部に電気的に接続される、請求項１に記載の二次電池。
前記キャップ組立体には前記正極用端子と前記負極用端子を挿入する締結孔が形成され、前記ケースの開口部をカバーしながらこのケースに結合されるキャッププレートを含む、請求項１に記載の二次電池。
正極、負極及びセパレータを含む電極群と；
前記電極群が収納されるケースと；
正極用端子及び負極用端子が設置されながら前記ケースに装着されるキャップ組立体とを含み、
前記正極及び前記負極は各々活物質のない部位である無地部を有し、
前記正極の無地部及び前記負極の無地部は、幅方向における両端に切断部を有し、
前記正極用端子と前記負極用端子は前記正極の無地部及び前記負極の無地部に電気的に接続され、前記電極群の厚さをＤ_１、前記正極の無地部及び前記負極無地部の厚さをＤ_２とすると、Ｄ_１がＤ_２より厚い二次電池。
前記正極用端子と前記負極用端子はリードエレメントを通じて前記正極無地部と前記負極無地部に電気的に接続され、前記切断部は前記リードエレメントが前記正極無地部と前記負極無地部に接触される接触部位に形成される、請求項６に記載の二次電池。
前記キャップ組立体は前記正極用端子と前記負極用端子が挿入される締結孔が形成され、前記ケースの開口部をカバーしながらこのケースに結合されるキャッププレートを含む、請求項６に記載の二次電池。
前記二次電池は角形である、請求項１又は６に記載の二次電池。
前記二次電池はモータ駆動型である、請求項１又は６に記載の二次電池。
正極及び負極に、各々活物質のない部位である無地部を形成する段階と；
前記正極、負極及びセパレータを含む電極群を形成する段階と；
前記無地部の幅方向における中央部を加圧し、平坦部を形成する段階と；
前記正極の無地部及び前記負極の無地部の幅方向における両端を切断し、切断部を形成する段階と；
正極用端子及び負極用端子を、各々前記正極の無地部及び前記負極の無地部に電気的に接続する段階と；を含み、
前記電極群の幅をＷ _１、前記正極の無地部及び前記負極の無地部の幅をＷ _２とすると、Ｗ _１がＷ _２より広いことを特徴とする二次電池の製造方法。
正極及び負極に、各々活物質のない部位である無地部を形成する段階と；
前記正極、負極及びセパレータを含む電極群を形成する段階と；
前記無地部の幅方向における中央部を加圧し、平坦部を形成する段階と；
前記正極の無地部及び前記負極の無地部の幅方向における両端を切断し、切断部を形成する段階と；
正極用端子及び負極用端子を、各々前記正極の無地部及び前記負極の無地部に電気的に接続する段階と；を含み、
前記切断部は、前記正極用端子及び負極用端子に面する前記無地部の一面が、前記平坦部に対し平坦になるように形成され、
前記電極群の厚さをＤ _１、前記正極の無地部及び前記負極の無地部の厚さをＤ _２とすると、Ｄ _１がＤ _２より厚いことを特徴とする二次電池の製造方法。